DE4214811C2 - Prüfkörper zur Simulation der Verformung eines biologischen Muskelgewebes unter Stoß- bzw. Quetschbelastung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Prüfkörper zur Simulation der Verformung eines biologischen Muskelgewebes unter Stoß- bzw. Quetschbelastung, insbesondere zur Anordnung an einem Testschen­ kel einer anthropomorphen Testpuppe, der im Oberbegriff des Hauptanspruches angegebenen Art.

Zur Abschätzung des Verletzungsrisikos von Personen bei Ver­ kehrsunfällen ist es in Forschungseinrichtungen der Automobil­ industrie üblich, bei Unfallsimulationen anthropomorphe Test­ puppen einzusetzen, die auch als "Dummies" bezeichnet werden. Die Metallskelette dieser Dummies sind mit Schaumformteilen aus Kunststoff gepolstert, über die eine Kunststoffhaut gezogen wird, wodurch insbesondere die Extremitäten der Dummies men­ schenähnlicher gestaltet sind. Diese Schaumformteile nehmen zwar nach beschädigungsfreier Verformung durch Stoß- oder Quetschbe­ lastungen wieder ihre Ursprungsform an, jedoch unterscheiden sie sich in ihren Formänderungseigenschaften grundlegend von biolo­ gischem Muskelgewebe. Eine meßtechnische Erfassung der Verfor­ mungsintensität der Schaumformteile läßt damit nur eine sehr grobe Abschätzung des Verletzungsrisikos eines Muskels bei glei­ cher Stoß- bzw. Quetschbelastung zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Prüfkörper zur Simulation der Verformung eines biologischen Muskelgewebes unter Stoß bzw. Quetschbelastung dahingehend weiterzuentwickeln, daß eine zuverlässigere Abschätzung des Verletzungsrisikos für bio­ logisches Muskelgewebe unter adäquater Belastung möglich wird.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den übrigen Ansprüchen hervor.

Um besonders gleichmäßige Verformungseigenschaften des Prüf­ körpers sicherstellen zu können, bestehen alle Fäden des Pol­ sterkerns aus Rundschnüren mit übereinstimmendem Rundquer­ schnitt.

Eine weitere Verbesserung der Verformungseigenschaften wird er­ zielt, wenn der vom Kernbündel gebildete Polsterkern umlaufend von einer stützenden Ummantelung umgeben ist.

Damit sich die Rundschnüre nach reversibler Verformung des Prüf­ körpers zuverlässig wieder in ihre ursprüngliche Ausgangsstel­ lung zurückbewegen, ist die stützende Ummantelung auf den Außen­ umfang des Polsterkerns aufvulkanisiert, wodurch eine Ring­ schicht der Rundschnüre anvulkanisiert wird und ein Verbund­ material bildet.

Ein günstiges Walkverhalten des Kernbündels ergibt sich, wenn die Dicke des Polsterkerns ein Mehrfaches der Dicke der Ummante­ lung samt Ringschicht ausmacht. Hierdurch ergibt sich, insbeson­ dere bei Verwendung von Rundschnüren im Durchmesser von jeweils 2 mm für den Polsterkern mit einer Härte von etwa 60 Shore-A ein Prüfkörper, der von seinen physikalischen Eigenschaften her biologischem Muskelgewebe weitgehend entspricht.

Durch einen entsprechenden "Muskelbesatz" der Metallskelette von Dummies durch Prüfkörper ist es möglich, auch die Bewegung der Muskulatur eines Menschen unter Beschleunigungskräften z. B. beim Crash weitgehend exakt zu simulieren, wobei wegen der erheb­ lichen trägen Masse insbesondere ein "Muskelbesatz" an Ober- und Unterschenkel des Dummies zu einer Verbesserung der Forschungs­ ergebnisse als zweckmäßig anzusehen ist.

Der "Muskelbesatz" an den Schenkeln von Dummies kann vorteilhaft aus mehreren Prüfkörpern zusammengesetzt sein, die den Muskel­ strängen des menschlichen Körpers entsprechend gestaltet und ge­ fügt sind.

Ein Unterschenkel eines Dummies mit einem "Muskelbesatz" aus er­ findungsgemäßen Prüfkörpern ist dabei zur Simulation der Quetsch- und Stoßbelastungen des Unterschenkels zweckmäßig mit Prüfkörpern versehen, deren Polsterkern jeweils an seinen Enden gehalten ist.

Vorteilhaft bestehen sowohl die Fäden des Polsterkerns als auch die Ummantelung aus Silikonkautschuk, da dessen physikalische Eigenschaften über einen großen Temperaturbereich stabil sind.

Um auf eine einfache Weise eine meßtechnische Erfassung der Ver­ formungsintensität des Prüfkörpers unter Stoß- bzw. Quetschbe­ lastung zu ermöglichen, ist eine Anordnung von Schläuchen in dem Prüfkörper vorgesehen. Diese Schläuche der Anordnung sind an ei­ nem Ende geschlossen und mit einem inkompressiblen Druckmedium gefüllt. Die Flüssigkeitssäule der längs zwischen den Rundschnü­ ren verlegten Schlauchleitungen aus weichem Silikonkautschuk wirkt jeweils auf einen zugeordneten Drucksensor, mit dem der Hohlquerschnitt der Schlauchleitung am anderen Ende dicht ver­ schlossen ist. Da bei einer Stoßbeaufschlagung des Prüfkörpers eine von der Eindringtiefe abhängige Quetschbeanspruchung der Schlauchleitung stattfindet, kommt es in der Flüssigkeitssäule zu einem verdrängungsangepaßten Druckanstieg, der sich meßtech­ nisch erfassen läßt.

Die Empfindlichkeit dieser Meßanordnung reicht bei Verwendung von Wasser als Druckmedium zumindest aus, dynamische Verformun­ gen mit einer Einwirkzeit von mehr als 10 Millisekunden zuver­ lässig aufzulösen.

Darüber hinaus hat die Meßanordnung den Vorteil, daß die relativ teuren Drucksensoren in einem sicheren Abstand zur Quetsch- bzw. Stoßstelle angeordnet werden können. So werden sie selbst bei irreversiblen Verformungen bzw. Zerstörungen der zugehörigen Schlauchleitung nicht in Mitleidenschaft gezogen.

Im folgenden sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer zeichnerischen Darstellung näher erläutert.

In der Darstellung zeigen:

Fig. 1 einen zylindrischen Prüfkörper in einer perspektivischen Teilansicht,

Fig. 2 eine Versuchsanordnung eines Dummies zur Simulation eines Fußgängeraufpralls,

Fig. 3 einen Unterschenkel des Dummies der mit einem Muskel­ besatz aus Prüfkörpern versehen ist, in einer Seiten­ ansicht,

Fig. 4 den teilweise im Längsschnitt sichtbaren Unterschenkel nach Fig. 3, und

Fig. 5 einen Querschnitt durch den Unterschenkel gemäß Fig. 3.

Ein in Fig. 1 in einem Endbereich sichtbarer Prüfkörper 1 mit zylindrischem Querschnitt und begrenzter Länge umfaßt einen in­ nenliegenden Polsterkern 2, der im Querschnitt gesehen umlaufend mit einer radial stützenden Ummantelung 3 verkleidet ist. Der Polsterkern 2 besteht aus einer Vielzahl von Rundschnüren 4 mit kreisförmigem Querschnitt, die jeweils einen Durchmesser von 2 mm aufweisen und Monofile aus einem Silikonkautschuk mit einer Härte von etwa 60 Shore-A sind. Diese Rundschnüre 4 verlaufen zueinander parallel in Längsrichtung des Prüfkörpers 1, sind zu einem annähernd zylindrischen Kernbündel zusammengelegt und von der hohlzylindrischen Ummantelung 3 zusammengehalten. Die Ummantelung 3 besteht ebenfalls aus Silikonkautschuk, jedoch mit wesentlich geringerer Härte, die nicht mehr graduierbar ist.

Bei gießtechnischer Verarbeitung hat sich zur Herstellung der Ummantelung 3 der handelsübliche Zweikomponenten-Silikonkaut­ schuk A DS 921 A/B im Mischungsverhältnis 60(A) : 40(B) bewährt. Die Ummantelung 3 ist auf den Außenumfang des Polsterkerns 2 aufvulkanisiert, wodurch eine unmittelbar von der Ummantelung 3 überdeckte Ringschicht aus Rundschnüren 4 anvulkanisiert ist also ein Verbundmaterial bildet. Die übrigen Rundschnüre 4 sind lose verlegt und ggf. mit Talkum gepudert. Da die Rundschnüre 4 des Polsterkerns 2 einander gegenseitig stützend mit ihren Längsseiten reibschlüssig aneinanderliegen und den Hohlquer­ schnitt der Ummantelung 3 weitestgehend ausfüllen, weist der Prüfkörper 1 im unbelasteten Zustand die gezeigte stabile Aus­ gangsform auf. Auch beträgt die Dicke des Polsterkerns 2 ein Mehrfaches der Wanddicke der Ummantelung 3 samt ihrer anvul­ kanisierten Ringschicht aus Rundschnüren.

Der Prüfkörper 1 weist bei Quetschbeaufschlagung quer zu seiner Längsachse ein Verformungsverhalten auf, das einem erschlafften Muskel aus biologischem Gewebe weitestgehend entspricht. Somit läßt sich der Prüfkörper 1 zu Forschungszwecken verwenden, die auf die Abschätzung des Verletzungsrisikos für biologisches Muskelgewebe unter Stoß- bzw. Quetschbelastung gerichtet sind.

Um eine muskeltypische Längendehnung der Rundschnüre unter Stoß­ beaufschlagung zu ermöglichen, und die Absorptionsfähigkeit des Prüfkörpers 1 für Stoßenergie weiter zu verbessern, können die Rundschnüre 4 an ihren entgegengesetzten Enden unbeweglich ge­ halten sein.

Fig. 2 zeigt einen Versuchsaufbau zur Simulation eines Verkehrs­ unfalles, bei dem ein Fußgänger von einem Kraftwagen 5 ange­ fahren wird, während er eine Fahrbahn überquert. Hierzu wird in der Fahrspur des Kraftwagens 5 ein Dummy 6 aufgestellt, der sich in Schrittstellung befindet, wobei seine Füße in realistischer Weise leicht gegen die Fahrtrichtung des Kraftwagens 5 gedreht sind.

Alle Meßleitungen sind vom Kopf des Dummies 6 nach oben wegge­ führt, wobei sie die Bewegungsmöglichkeiten des Dummies 6 nicht einschränken.

In dieser Stellung wird der Dummy 6 mit definierten Prüfge­ schwindigkeiten angefahren, wobei er zunächst vom vorderen Stoßfänger des Kraftwagens 5 an seinen Unterschenkeln getroffen wird.

Um bei den unterschiedlichen Fahrgeschwindigkeiten das Verlet­ zungsrisiko an den Unterschenkeln eines menschlichen Körpers, insbesondere hinsichtlich von Muskelgewebeschädigungen wie Quetschverletzungen, Muskelrissen oder auch Blutergüssen, hin­ reichend zuverlässig abschätzen zu können, sind beide Unter­ schenkel des Dummies 6 als gepolsterte Testschenkel 7 ausgebil­ det.

Einer dieser spiegelbildlichen Testschenkel 7 ist in der Seiten­ ansicht gemäß Fig. 3 im unbekleideten Zustand sichtbar. Der Testschenkel 7 ist in das Metallskelett eines üblichen Hybrid II-Dummies eingegliedert, indem er oben und unten über jeweils ein Scharniergelenk mit dem Oberschenkel 8 bzw. dem Fuß 9 ver­ bunden ist. Zur Anlenkung dienen zwei Gelenkplatten 10 bzw. 11, die jeweils aus einer kreisförmigen Stützplatte sowie einem rechtwinklig von der Stützplatte abstehendem Lagerbock bestehen.

Die Stützplatten der beiden Gelenkplatten 10 bzw. 11 sind je­ weils über distanzierende Mittel mit einer zugeordneten Trag­ platte 12 verschraubt, wie in Verbindung mit der Schnittdarstel­ lung nach Fig. 4 zu erkennen ist. Diese Tragplatten 12 bilden die tragenden Stirnenden des Testschenkels 7 und sind zueinander koaxial im Endbereich desselben angeordnet. Miteinander verbun­ den sind die beiden Tragplatten 12 über zwei bidirektional ver­ stärkte Synthetikharzrohre 13 und 14, deren Rohrenden jeweils mit der zugeordneten Tragplatte 12 verschraubt sind.

Da die Synthetikharzrohre 13 und 14 die Stützwirkung der beiden Röhrenknochen eines menschlichen Unterschenkels erzeugen sollen, weisen sie entsprechend angepaßt unterschiedliche Rohrquer­ schnitte auf und sind in vergleichbarer Stellung zueinander und zum Querschnitt des Testschenkels 7 angeordnet.

Wie im Zusammenhang mit Fig. 5 ersichtlich ist, sind um die Synthetikharzrohre 13 und 14 herum mehrere Prüfkörper 1a, 1b sowie 1c angeordnet, die den zylindrischen Raum zwischen den beiden Tragplatten 12 gemeinsame ausfüllen.

Die über ihre Länge querschnittskonstanten Prüfkörper 1a, 1b sowie 1c sind in ihrem Querschnitt ähnlich gestaltet wie Haupt­ gruppen der Muskulatur am Unterschenkel eines Menschen. So weist der den Raum zwischen einander gegenüberliegenden Umfangsflächen von Synthetikharzrohr 13 (Fibula) und Synthetikharzrohr 14 (Tibia) ausfüllende Prüfkörper 1b einen ovalen Querschnitt auf, welcher dem Querschnitt der tiefen Flexorengruppe ähnlich ist. An der gegenüberliegenden Umfangsseite des Synthetikharzrohre 13 liegt der Prüfkörper 1c an, der in Anlehnung an die Peroneus­ gruppe einen kreissegmentförmigen Querschnitt aufweist. Der übrige Raum ist mit zwei baugleichen spiegelsymmetrisch ange­ ordneten Prüfkörpern 1a ausgefüllt, die in Anlehnung an die Extensorengruppe bzw. die oberflächliche Flexorengruppe einem etwa sichelförmigen Querschnitt haben.

Die Prüfkörper 1a, 1b und 1c verfügen abgesehen von ihrer Quer­ schnittsgeometrie über den gleichen Grundaufbau wie der Prüfkör­ per 1 und bestehen somit aus einer Vielzahl paralleler Rund­ schnüre 4a, 4b, 4c die von einer aufvulkanisierten Ummantelung 3a, 3b, 3c umschlossen sind.

Jedoch sind die Prüfkörper 1a, 1b und 1c an beiden Enden mit einer Endplatte aus Blech versehen, die an die Querschnittsform des zugehörigen Prüfkörper 1a, 1b bzw. 1c angepaßt ist. Diese Endplatten gehören noch zum Prüfkörper 1a, 1b bzw. 1c, da sie mit den zugeordneten Enden der Rundschnüre 4a, 4b bzw. 4c verklebt sind. Zum Verkleben können z. B. Klebstoffe auf Silicon­ basis verwendet werden.

Von diesen Endplatten steht jeweils ein Gewindebolzen 15 ab, dem eine Durchgangsbohrung in der Tragplatte 12 zugeordnet ist. So­ mit lassen sich die Endplatten in dargestellter Weise mit den Tragplatten 12 verschrauben.

Das gesamte "Muskelpaket" aus den Prüfkörpern 1a, 1b und 1c ist am Umfang von einem handelsüblichen Schrumpfschlauch 16 um­ schlossen, der sich aufgrund seiner hautähnlichen Dehnungseigen­ schaften jedoch kaum auf das Verformungsverhalten der Prüfkörper 1a, 1b und 1c auswirkt.

Wie durch einen Pfeil S angedeutet ist, wird der Testschenkel 7 schräg seitlich vom Stoßfänger des Kraftwagens 5 getroffen.

Um die Verformung der Prüfkörper 1a, 1b und 1c, die unter der Stoßbelastung auftritt, sowie die auf die Prüfkörper 1a, 1b und 1c wirkenden Kräfte meßtechnisch erfassen zu können, sind in je­ den der Prüfkörper 1a, 1b und 1c über ihre Kompressionstiefe verteilt mehrere Silikonschläuche 17 eingebettet.

Diese Silikonschläuche 17 durchsetzen die Prüfkörper 1a, 1b bzw. 1c der Länge nach, wobei sie umlaufend von den zu ihnen parallel verlaufenden Rundschnüren 4a, 4b bzw. 4c umgeben sind. Die unte­ ren Enden dieser Silikonschläuche 17 sind jeweils mittels eines Blindstopfens geschlossen. Mit ihrem oberen Endbereich stehen die Silikonschläuche 17 aus der Endplatte heraus und durchsetzen eine Paßbohrung in der oberen Tragplatte 12, wonach sie flächen­ bündig zu deren Oberseite abgeschnitten sind.

In den Endbereich jedes der Silikonschläuche 17 ist ein zylin­ drischer Drucksensor 18 eingeschoben und unter dichtem Anschluß an den Schlauch 17 befestigt. Beim Drucksensor 18 handelt es sich um einen handelsüblichen Miniatur-Sensor nach dem Membran­ prinzip. Die Drucksensoren 18 stehen über übliche Meßleitungen mit einer nicht dargestellten Auswerteeinheit in Verbindung. Un­ terhalb der Drucksensoren 18 sind die Silikonschläuche 17 mit einem Druckmedium wie z. B. Wasser vollständig gefüllt. Da die Silikonschläuche 17 sorgfältig entlüftet sind, werden Druckver­ änderungen der Wassersäule somit unmittelbar an den Drucksensor 18 weitergegeben und lassen sich meßtechnisch auswerten.

Der Druckanstieg der Wassersäulen in den Silikonschläuchen 17 ist im wesentlichen proportional zur Verdrängungswirkung, die durch Einschnürungen bzw. Quetschungen der Silikonschläuche 17 entsteht. Somit läßt sich über die gesamte Druckmeßanordnung ein differenziertes Verformungsbild der Prüfkörper 1a, 1b und 1c ge­ winnen, durch welche eine relativ sichere Aussage zum Verlet­ zungsrisiko der Unterschenkelmuskulatur eines menschlichen Kör­ pers bei Verkehrsunfällen der zu untersuchenden Art gemacht wer­ den kann.

Claims (12)

1. Prüfkörper zur Simulation der Verformung eines biologischen Muskelgewebes unter Stoß- bzw. Quetschbelastung, insbesondere zur Anordnung an einem Testschenkel einer anthropomorphen Testpuppe, wobei der Prüfkörper aus Polstermaterial mit stoßdämpfenden Eigenschaften besteht, welches nach beschädigungsfreier Verformung wieder seine Ursprungsform annimmt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Polsterkern des Prüfkörpers (1, 1a, 1b, 1c) aus einer Vielzahl von Fäden (Rundschnüren 4, 4a, 4b, 4c) zusammengesetzt ist, die jeweils Monofile aus einem Gummiwerkstoff sind und alle unter zueinander parallelem Verlauf zu einem Kernbündel aus längsseitig stützend aneinanderliegenden Fäden (Rundschnüren 4, 4a, 4b, 4c) zusammengelegt sind, wobei das sich quer zur Stoßbeanspruchungsrichtung erstreckende Kernbündel mittels einer Verkleidung (Ummantelung 3, 3a, 3b, 3c) aus einem weichen gummielastischen Werkstoff in seiner unbelasteten Ausgangsform zusammengehalten ist.

2. Prüfkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Fäden des Polsterkerns Rundschnüre (4, 4a, 4b, 4c) mit übereinstimmendem Rundquerschnitt sind.

3. Prüfkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Kernbündel gebildete Polsterkern im Querschnitt gesehen umlaufend mit einer stützenden Ummantelung (3, 3a, 3b, 3c) verkleidet ist.

4. Prüfkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die stützende Ummantelung (3, 3a, 3b, 3c) auf den Außenumfang des Polsterkerns aufvulkanisiert ist, wobei eine von der Ummantelung (3, 3a, 3b, 3c) überdeckte Ringschicht aus Fäden (Rundschnüren 4, 4a, 4b, 4c) an die Ummantelung (3, 3a, 3b, 3c) anvulkanisiert ist.

5. Prüfkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Polsterkerns ein Mehrfaches der Dicke der Ummantelung (3, 3a, 3b, 3c) beträgt.

6. Prüfkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper (1, 1a, 1b, 1c) einen an den zu prüfenden biologischen Muskel näherungsweise angepaßten Querschnitt aufweist.

7. Prüfkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Prüfkörper (1a, 1b, 1c) mit einander zu einer anthropomorphen Schenkelmuskulatur ergänzendem Querschnitt um eine knochenähnliche Tragstruktur eines Testschenkels (7) herum festgelegt sind.

8. Prüfkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Testschenkel (7) ein Unterschenkel einer anthropomorphen Testpuppe (Dummy 6) ist.

9. Prüfkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden (Rundschnüre 4, 4a, 4b, 4c) des Polsterkerns sowie die Verkleidung (Ummantelung 3, 3a, 3b, 3c) aus Silikonkautschuk bestehen.

10. Prüfkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß längs zwischen Fäden (Rundschnüren 4a, 4b, 4c) des Prüfkörpers (1a, 1b, 1c) ein mit einem inkompressiblen Druckmedium gefüllter Schlauch (Silikonschlauch 17) aus flexiblem Material verlegt ist, der bei Eindrückung des Prüfkörpers (1a, 1b, 1c) quetschbelastet ist, und daß ein infolge einer Quetschbelastung des Schlauches (Silikonschlauchs 17) auftretender Druckanstieg im Druckmedium mittels eines den Druck des Druckmediums erfassenden Drucksensors (18) meßbar ist.

11. Prüfkörper nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Prüfkörper (1a, 1b, 1c) mehrere über den Querschnitt des Polsterkerns verteilt angeordnete Schläuche (Silikonschläuche 17) verlegt sind, denen jeweils ein Drucksensor (18) zugeordnet ist.

12. Prüfkörper nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (18) in einem Abstand zur Eindrückstelle im Hohlquerschnitt des Schlauches (Silikonschlauches 17) angeordnet ist, wobei er den Hohlquerschnitt unter dichtem Anschluß zum Schlauch (Silikonschlauch 17) verlegt.